導彈武器的智能分級及特征

樊會濤, 張同賀, 張 良

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009； 2.航空制導武器航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471009)

0 引 言

技術是推動戰(zhàn)爭形態(tài)變革的源動力，每一次技術上的突破都會帶來戰(zhàn)爭形態(tài)的變革，如圖1所示?；鹚幍陌l(fā)明催生戰(zhàn)爭由“冷兵器”轉(zhuǎn)向“熱兵器”時代，這是對人類力量的擴展； 工業(yè)革命的發(fā)展催生出“機械化”時代，這是對人類運動能力的擴展； 以信息化和網(wǎng)絡化技術為主體的科技革命則推動了戰(zhàn)爭由“機械化”向“信息化”變革，催生出“千里眼、 順風耳”，這是對人類五官感知能力的擴展； 信息化的高度發(fā)展使得海量信息和大數(shù)據(jù)隨之產(chǎn)生，人工智能、 云計算、 萬物互聯(lián)技術快速發(fā)展，推動著戰(zhàn)爭從“信息化”轉(zhuǎn)向“智能化”時代，這是對人類大腦能力的擴展。

伴隨著戰(zhàn)爭形態(tài)的變革，作為打擊節(jié)點的導彈武器該如何發(fā)展？導彈的本質(zhì)是拳頭的快速延伸、 能量的精準投送?，F(xiàn)代戰(zhàn)場態(tài)勢高度復雜、 攻防對抗激烈，而處于對抗之中的人，是不能用規(guī)則約束的，這就使得傳統(tǒng)基于規(guī)則設計的算法難以有效遂行任務。人工智能技術在海量數(shù)據(jù)處理方面具有顯著優(yōu)勢，它的學習、 推理能力能夠應用于導彈系統(tǒng)的攻防博弈對抗，因此，為確保復雜環(huán)境下的作戰(zhàn)效能，導彈將會是率先應用人工智能的武器裝備，導彈武器“智能化”是必然趨勢。

既然導彈武器智能化是技術發(fā)展的必然，那么應該如何評價導彈的智能水平？導彈的智能水平怎么分級? 智能導彈的能力特征是什么? 實現(xiàn)這些智能能力的關鍵技術又是什么？這些問題的研究是智能導彈研制的基礎性問題。

1 導彈的智能水平分級

1.1 智能導彈的概念與內(nèi)涵

智能的本質(zhì)是古今中外許多哲學家一直在努力探索和研究的問題，它是“智力”和“能力”的集中表現(xiàn)。達爾文的進化論指出，“物競天擇、 適者生存”，智能體必然是為了達成某個目標，不斷適應環(huán)境，成長進化，從而贏得競爭優(yōu)勢。智能導彈的內(nèi)涵可以由智能體類比中得出，即為了精確打擊目標，不斷成長進化，根據(jù)對環(huán)境的認知自主生成合理的系統(tǒng)策略，從而適應復雜的作戰(zhàn)環(huán)境，實現(xiàn)作戰(zhàn)任務。

圖1 戰(zhàn)爭形態(tài)變革示意圖

結合導彈的作戰(zhàn)使命和信息流工作原理，將智能導彈系統(tǒng)定義為： 能夠?qū)椵d傳感器和體系數(shù)據(jù)進行綜合分析處理與判斷，根據(jù)對環(huán)境的認知，自主生成合理的系統(tǒng)策略，從而實現(xiàn)對目標的探測、 識別、 跟蹤與精確打擊的系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 智能導彈概念框圖

1.2 導彈武器的智能分級

通常用智商來評價一個人的智力、 能力水平，而決定智商高低的核心則是大腦。那么，決定導彈“智商”的核心是什么呢？顯而易見，是算法！正如形容一個人智商高，往往會說其腦子聰明，形容導彈抗干擾能力強, 常常會說其抗干擾算法設計得好?？梢哉f，算法是人工智能的靈魂，從本質(zhì)上決定了導彈的智能水平。

人工智能這一名詞自1956年被提出后，各種相關算法就層出不窮。本文不拘泥于具體的種種算法，針對復雜攻防博弈對抗環(huán)境的導彈智能能力需求，以能否直接從數(shù)據(jù)中實現(xiàn)認知決策能力為劃分原則，基于算法的設計原理和導彈武器的研制特點進行導彈的智能等級劃分。將導彈的智能水平劃分為初、 中、 高、 超四個等級，如圖3所示。

圖3 導彈智能分級框圖

1.2.1 初級智能導彈

基于邏輯規(guī)則進行判斷。該等級導彈不具有生命體特征，它是“死”的，一經(jīng)確定，能力即固化，即“規(guī)定什么, 就是什么”。它將人對問題的理解轉(zhuǎn)化為導彈能夠執(zhí)行的邏輯與規(guī)則集合。

人的知識包括理性知識、 感性知識等，能夠用規(guī)則清晰表達的少之又少，各種閾值的設置也遠比不上人的靈活性，特別是抗干擾問題并沒有標準的知識模型，這就決定了基于“規(guī)則”的算法難以達到人的認知水平。

1.2.2 中級智能導彈

基于邏輯規(guī)則和被動學習的特征進行判斷。增加了基于數(shù)據(jù)的被動學習算法，即在初級智能導彈“規(guī)定什么，就是什么”的基礎上，對于無法規(guī)則化描述的場景，能通過線下被動學習, 自動從數(shù)據(jù)中學到特征，具有一定的類比能力。

雖然目前深度學習算法在圖像處理等領域已取得了驚人成績，但大腦的神經(jīng)元非常復雜，現(xiàn)今用的神經(jīng)網(wǎng)絡都只是簡單的模擬，典型代表如圖4所示。目前的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡，還存在不可解釋和易被欺騙的脆弱性，在某些方面與人類的認知還存在較大差距。

1.2.3 高級智能導彈

基于數(shù)據(jù)進行判斷。該等級導彈具有了一定的生命體特征，并具有在線主動學習能力，能夠利用數(shù)據(jù)挖掘出有價值的信息，即在中級智能導彈“被動學習”的基礎上，還能在線“主動學習”，具備一定的“思維”能力。

復雜攻防對抗環(huán)境下的抗干擾、 反隱身等問題并沒有標準解，難以用準確的知識模型描述，而數(shù)據(jù)是包羅萬象的，可以從中探索出小到原子、 大到整個宇宙的奧妙，一切知識、 規(guī)律等皆可從數(shù)據(jù)中學到。如果設計的算法能夠在理性原則上與大腦“神似”，就可從數(shù)據(jù)中通過主動學習直接形成認知決策能力。

圖4 典型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡結構示意圖

1.2.4 超級智能導彈

基于遺傳的知識和數(shù)據(jù)進行判斷。該等級導彈具有了完全生命體特征，彈上算法由云端根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢和任務推送，可在線學習進化，實現(xiàn)彈間能力共享。

智慧云端類似于導彈的基因庫，存儲了導彈在歷史仿真、 試驗、 實戰(zhàn)中獲得的有價值的數(shù)據(jù)、 知識及各種算法模型。正如生命體引入了遺傳信息，各種生物的進化成果都在基因之中體現(xiàn)。超級智能導彈的初始能力來自于云端，后天通過自身和體系信息來認識環(huán)境，自主進化，并將自身成長信息反饋至云端，即時共享，擇優(yōu)遺傳“后代群”。

2 導彈武器智能能力特征

結合前述初、 中、 高、 超四個等級的智能導彈定義，不同等級智能導彈能力特征描述，如圖5所示。

圖5 四個等級智能導彈能力表現(xiàn)框圖

2.1 初級智能導彈能力

具有先驗的目標識別、 跟蹤和打擊能力，可以應對已經(jīng)存在且有了認知的一般環(huán)境。由于規(guī)則表達的局限性及沒有學習能力，有感知、 能識別但智能、 協(xié)同能力不足，現(xiàn)階段導彈大多處于初級智能水平。

2.2 中級智能導彈能力

具有自動的目標識別、 跟蹤和打擊能力，具有經(jīng)過學習的感知、 認知決策能力，智能、 協(xié)同能力明顯提升，對于模式復雜的戰(zhàn)場環(huán)境也具備了一定的適應能力。它能夠通過被動學習提取復雜高維特征，但是并不產(chǎn)生新質(zhì)增量。中級智能導彈是近期的研究重點。

2.3 高級智能導彈能力

具有自主的目標識別、 跟蹤和打擊能力，對復雜環(huán)境具有完全智能感知、 認知決策能力，可智能構建彈群形態(tài)。它具有“吃一塹、 長一智”的能力，能夠通過對過往成功或失敗信息的利用以及當前環(huán)境的認知判斷，生成新質(zhì)增量能力。

2.4 超級智能導彈能力

具有自主進化的目標識別、 跟蹤和打擊能力，能夠適應各種復雜作戰(zhàn)環(huán)境，達到甚至超越人類的智能認知決策和協(xié)同能力。它的學習能力代際相傳、 不斷進化，自主積累關于環(huán)境的數(shù)據(jù)與知識。導彈群體已具有信息基因的遺傳能力，通過云端形成了高度協(xié)調(diào)配合的社會化組織形態(tài)，一切新增的有效感知、 認知決策策略都會即時共享。

3 關鍵技術

導彈武器走向智能化是技術發(fā)展的必然，需圍繞人工智能“數(shù)據(jù)、 算法、 算力”三要素、 導彈武器作戰(zhàn)場景特點和各等級智能導彈內(nèi)涵，通過階段性重點突破和持續(xù)研究，攻克以下四項關鍵技術。

3.1 高擬真度數(shù)據(jù)生成技術

從初級到超級智能導彈，其能力的實現(xiàn)都離不開數(shù)據(jù)支持，算法被賦予大數(shù)據(jù)之后，其靈魂才真正“活”了起來，好的數(shù)據(jù)集需具有全樣本性和真實性。當前民用智能快速發(fā)展的關鍵就是大數(shù)據(jù)的支持，而這恰恰是導彈算法設計所欠缺的。一方面，數(shù)據(jù)不可能覆蓋全面，這就失去了全樣本性； 另一方面，試驗、 靶試的數(shù)據(jù)與對敵作戰(zhàn)場景存在一定的差異，這就失去了真實性。因此，如何在真實數(shù)據(jù)不足的情況下高擬真度生成數(shù)據(jù)，是智能導彈研究的關鍵。現(xiàn)階段可利用多型產(chǎn)品實測和仿真數(shù)據(jù)，基于敵方目標、 干擾特性的分析結果，通過生成式對抗網(wǎng)絡(GAN)將產(chǎn)品實測和仿真數(shù)據(jù)融合，生成更加接近真實目標特性的數(shù)據(jù)，在大幅豐富數(shù)據(jù)來源的同時提高數(shù)據(jù)的擬真度。

3.2 彈載輕量高效神經(jīng)網(wǎng)絡模型技術

算法是人工智能的靈魂，更是決定導彈智能等級的關鍵因素。目前國內(nèi)外見于報道的導彈均未達到中級智能水平，基于數(shù)據(jù)的被動學習算法還處于研究的初級階段，也是現(xiàn)階段研究的重點。

導彈“能量密度”和“時敏”的雙重限制對算法規(guī)模和資源消耗提出了苛刻約束。要求算法必須在保證學習能力的同時，具有“輕量高效”特點，提升對資源的利用效率?；诖?，現(xiàn)階段研究的關鍵便是設計出快速、 高效提取輸入對象高層次、 多維度特征的神經(jīng)網(wǎng)絡模型。不同于民用場景友好、 數(shù)據(jù)量大、 信息完備，針對導彈作戰(zhàn)場景存在博弈對抗、 環(huán)境復雜多變等特點，有必要在現(xiàn)有民用領域相對成熟神經(jīng)網(wǎng)絡模型基礎上，經(jīng)過專門的研究改進和設計，提高算法魯棒性。同時，尋求高性能、 輕資源的神經(jīng)網(wǎng)絡模型技術途徑，降低對能耗的需求。

3.3 低功耗高算力硬件技術

要想實現(xiàn)算法的彈載應用，必須解決“功耗”和“實時性”問題。從初級到超級智能導彈，其能力的實現(xiàn)均離不開高算力硬件的支持?，F(xiàn)階段該關鍵技術研究可以從三個方面開展： 一是DSP等處理器與神經(jīng)網(wǎng)絡的大規(guī)模并行運算不匹配，GPU雖然擁有大量的核，但其無法實現(xiàn)細粒度并行優(yōu)化，對于高幀頻導彈難以適用，有必要開發(fā)能夠進行細粒度并行優(yōu)化的加速計算平臺； 二是戰(zhàn)術導彈共性系統(tǒng)技術突出，有必要研制戰(zhàn)術導彈專用、 各種導彈通用的高集成度、 低功耗智能信息處理微系統(tǒng)； 三是積極探索民用領域AI芯片在導彈上的應用方法，降低導彈成本。

3.4 具有生命體特征的智慧云端技術

人的智能顯然是生物進化的結果，幾億年來生命在地球環(huán)境下嘗試出來的正確組合都放在了基因中。因此，建立導彈的基因庫對其智能能力的成長與進化至關重要，而智慧云端就類似于導彈的基因庫，隨著基因庫信息的不斷完善，導彈智能能力也隨之從初級智能向著高級智能進化。

智慧云端屬于智能導彈的基礎設施建設，導彈智慧云端技術必須在兩個方面取得突破才能很好地滿足導彈需求： 一是滿足導彈全任務階段對信息更新與處理的實時性要求； 二是云端的任何信息在存儲、 處理、 通訊過程中滿足不被破解的“保密”的要求。智慧云端需要從現(xiàn)在初級升級為中級智能導彈過程中就開始建設，存儲導彈在試驗、 實戰(zhàn)中獲得的有價值數(shù)據(jù)，伴隨導彈成長至超級智能階段，使得具有基因性質(zhì)的全樣本數(shù)據(jù)及策略等以比生命體更高效的共享方式遺傳給后代群。

4 結 束 語

物競天擇、 適者生存，導彈武器要想生存發(fā)展，必然向著智能化的方向不斷前進。本文給出的導彈武器智能分級和特征不一定合理，但期望通過拋磚引玉，引來更多對智能導彈的討論。技術的發(fā)展沒有極限，未來與強敵必然是智能與智能的對抗，需要盡快形成共識，抓緊開展智能導彈關鍵技術研究，在以智能化為特征的新一輪軍事革命中占得先機。